Una nuova, semplice, e un metodo poco costoso che utilizza la luce ultravioletta per controllare il movimento e l'assemblaggio delle particelle all'interno dei liquidi potrebbe migliorare la somministrazione dei farmaci, sensori chimici, e pompe per fluidi. Il metodo incoraggia le particelle, da microsfere di plastica, alle spore batteriche, agli inquinanti:raccogliere e organizzare in un luogo specifico all'interno di un liquido e, se desiderato, per trasferirsi in nuove sedi. Un articolo che descrive il nuovo metodo appare sulla rivista Angewandte Chemie .

"Molte applicazioni relative ai sensori, consegna farmaci, e le nanotecnologie richiedono il controllo preciso del flusso dei fluidi, " ha detto Ayusman Sen, Illustre professore di chimica alla Penn State e autore senior del documento. "I ricercatori hanno sviluppato una serie di strategie per farlo, compresi nanomotori e pompe per fluidi, ma prima di questo studio non avevamo un modo semplice per raccogliere le particelle in una posizione particolare in modo che possano svolgere una funzione utile e poi spostarle in una nuova posizione in modo che possano svolgere nuovamente la funzione.

"Supponiamo ad esempio di voler costruire un sensore per rilevare le particelle di un inquinante, o spore batteriche in un campione d'acqua, " ha detto il Sen. "Con questo nuovo metodo, possiamo semplicemente aggiungere nanoparticelle di oro o biossido di titanio e far brillare una luce per incoraggiare le particelle inquinanti o le spore a raccogliersi. Concentrandoli in un punto, diventano più facili da rilevare. E poiché la luce è così facile da manipolare, abbiamo un alto grado di controllo".

Proprio come le particelle inquinanti potrebbero essere raccolte in un luogo particolare, il metodo potrebbe essere utilizzato per raccogliere perline di silice o polimeri che trasportano un carico utile, come anticorpi o farmaci, in particolari punti all'interno di un fluido.

Il nuovo metodo prevede innanzitutto l'aggiunta di una piccola quantità di biossido di titanio o nanoparticelle d'oro a un liquido, Come l'acqua, che contiene anche particelle di interesse più grandi, come inquinanti o perline che trasportano un carico utile. Far brillare una luce in un punto specifico del liquido riscalda le minuscole nanoparticelle di metallo, e il calore viene poi trasferito al fluido. Il liquido più caldo sale quindi nel punto di luce, proprio come l'aria calda sale in una stanza fredda, e l'acqua più fredda si precipita a riempire lo spazio appena lasciato dall'acqua calda, portando con sé le particelle più grandi.

"Questo fa sì che le particelle più grandi si raccolgano nel punto della luce UV, dove si formano fittamente ravvicinati, strutture ben organizzate chiamate cristalli colloidali, " ha detto Benjamin Tansi, studente laureato in chimica alla Penn State e primo autore dell'articolo. "Cambiare l'intensità della luce o la quantità di biossido di titanio o particelle d'oro altera la velocità con cui si verifica questo processo".

Quando la luce viene rimossa, le particelle più grandi si diffondono casualmente attraverso il liquido. Ma se la luce viene invece ricollocata, le particelle più grandi si muovono verso il nuovo punto di luce, per lo più mantenendo la loro struttura mentre si muovono. Questo assemblaggio dinamico, smontaggio, e il movimento di particelle organizzate può avere importanti implicazioni per il rilevamento e la somministrazione di farmaci.

"Questo processo è più efficiente quando vengono utilizzate nanoparticelle d'oro, ma volevamo trovare un'alternativa che fosse meno costosa e più accessibile, " ha detto Tansi. "Siamo stati lieti di scoprire che questo metodo funziona anche con il biossido di titanio, una nanoparticella poco costosa e innocua utilizzata nei cosmetici e come additivo alimentare."

Oltre all'acqua, i ricercatori hanno dimostrato l'efficacia di questo metodo nell'esadecano, un liquido organico

"Le particelle di solito non si assemblano molto bene in ambienti salati o non acquosi perché tutto si attacca insieme, " disse Sen. "Ma qui mostriamo che le particelle possono assemblare usando questo metodo in esadecano, il che suggerisce che potremmo essere in grado di applicare questa tecnica in, Per esempio, fluidi biologici. Per quanto ne sappiamo, questa è la prima dimostrazione del pompaggio di fluido guidato dalla luce in un mezzo organico".

I membri del gruppo di ricerca dell'Università di Pittsburgh guidato da Anna Balazs hanno utilizzato modelli matematici per descrivere la dinamica del sistema. Oltre a descrivere come si muovono le particelle nel sistema, i modelli confermano che è necessario solo un piccolo cambiamento di temperatura, inferiore a un grado Celsius, dalla luce ultravioletta per indurre il flusso del fluido.

Il team di ricerca sta attualmente testando i limiti di questo metodo, ad esempio se le particelle possono spostarsi in salita verso la sorgente luminosa o se il metodo può essere utilizzato per ordinare le particelle per dimensione.

"Sapevamo che il riscaldamento delle nanoparticelle d'oro in sospensione poteva creare un flusso di fluido, " disse Tansi, "ma prima di questo studio nessuno aveva cercato di vedere se questo tipo di flussi di fluidi azionati termicamente potessero essere usati per fare qualcosa di utile. Poiché la luce ultravioletta e il biossido di titanio sono così facili da controllare, pensiamo che questo metodo potrebbe essere sfruttato in varie tecnologie in futuro. Per esempio, una pompa per fluidi che si basa su questo metodo potrebbe potenzialmente sostituire le pompe tradizionali ingombranti e più costose che richiedono una fonte di alimentazione o che si basano su magneti o movimenti meccanici per funzionare."